CN111066223B - 用于旋转电机的定子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于旋转电机(2)的定子(8)，旋转电机尤其用在吊舱驱动器(56)中，该定子具有带有线圈(22)的定子叠片组(20)。为了与现有技术相比以小的轴向长度实现改善的电气和机械特性而提出：线圈(22)各自具有至少一个凹槽部段(26)、至少一个绕组头部段(28)和至少一个连接部段(30)，其中绕组头部段(28)被设计为定子绕组头板(32)，定子绕组头板布置在定子叠片组(20)的端面处并且具有集成在绝缘基体(38)中的印制导线(36)，其中凹槽部段(26)的导体(34)与绕组头部段(28)的印制导线(36)在连接部段(30)中分别连接，其中凹槽部段(26)的导体(34)各自具有第一数量(n1)的互相电绝缘的子导体(40)，并且/或者绕组头部段(28)的印制导线(36)各自具有第二数量(n2)的互相电绝缘的子印制导线(50)，并且其中凹槽部段(26)的互相电绝缘的子导体(40)和/或绕组头部段(28)的互相电绝缘的子印制导线(50)在连接部段(30)中导电地连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于旋转电机的定子，旋转电机尤其用在吊舱驱动器中，该定子具有带有线圈的定子叠片组。
本发明还涉及一种具有至少一个这种定子的旋转电机。
本发明还涉及一种具有至少一个这种旋转电机的吊舱驱动器。
本发明还涉及一种具有至少一个这种吊舱驱动器的水上交通工具，其特别是船舶。
本发明还涉及一种用于制造这种定子的方法。
背景技术
这种类型的定子优选地用在旋转电机、特别是电动机或发电机中，该旋转电机用在造船业中并且具有至少一兆瓦的功率消耗。
这种旋转电机的定子绕组通常被设计为成型线圈。成型线圈例如由拉制的半成品、特别是矩形带制成，然后将该半成品卷绕成例如椭圆形并且随后沿切线制成最终形状。在成型线圈的端部设有绕组头，该绕组头是通过弯曲和拱弯成型线圈的导体制成的。该绕组头需要很大的轴向安装空间。绕组头的额外的无效导体长度会产生降低旋转电机效率的电阻式损耗。绕组头还需要进行冷却。需要额外的空间来冷却并保持在带电线圈之间所需的绝缘距离。
尤其在快速运行的低极数的机器中，由绕组头导致的增大的轴承间距对转子动力性能产生负面影响。此外，由于大的导体长度而需要采取附加的复杂加固措施，以防止在运行时以及发生故障(例如短路)时出现不允许的振动和变形。另外，旋转电机的总长度和重量增加。尤其在大型机器的模块化结构中，其中多个子机器沿轴向形成一个总机器，由于绕组头而产生明显的电无用长度。
专利文献DE 10 2009 032 882 B3描述了用于电机的层叠绕组的成型线圈的制造方法和通过所述方法制造的成型线圈。为了简化成型线圈的制造，该成型线圈由原始线圈制成，其中该原始线圈具有两个纵向侧面，纵向侧面设置用于插入到电动机器的定子或转子的槽中。原始线圈具有两个绕组头侧，绕组头侧设置用于分别形成成型线圈的绕组头，其中纵向侧面弯曲90°，以使纵向侧面插入凹槽中并且使绕组头侧与纵向侧面错开。
公开文献DE 199 14 942 A1描述了用于制造电机的定子绕组的方法和这种定子绕组。该电机具有凸出的极。线圈导体利用其端部沿轴向方向伸出超过定子叠片组并且固定在组件的端子中。组件上设有印制导线，印制导线与导体形成线匝或从端子延伸到外部连接点。
专利文献EP 1 742 330 B1描述了一种用于涡轮发电机的定子部分的定子绕组头。定子绕组头以盘的形式形成，该盘具有用于穿引转子的中央开口，其中该盘具有绝缘基体，在该基体中集成有用于接触定子导体的电连接。该接触以插接连接的形式和/或以电镀通孔的形式产生。
公开文献DE 10 2014 207 621 A1公开了一种旋转电机的定子，该定子包括具有多个槽的定子芯、具有多个相的分段绕组和多个沿轴向层压在定子芯的每个端部上的基板。定子芯和分段绕组的多个绕组条形成定子芯装置。多个基板和分段绕组的多个线圈末端连接器形成多个基板装置。定子由定子芯装置和多个层压在定子芯装置的每个端部上的基板装置构成。
公开文献DE 10 2015 221 923 A1描述了一种电机，该电机具有带电绕组的定子，该绕组具有布置在定子槽中的导电杆，并且其中每个导电杆在槽的区域中具有第一横截面面积，该电机还具有用于对绕组进行受控供电的逆变器电路，其中该逆变器电路通过至少一个电路板装置与绕组和/或杆互相电连接。
专利文献US 1,653,784 A描述了一种具有转子的电机，该转子配备有多个沿轴向布置的槽，其中绕组具有布置在槽中的棒。连接器在槽的端部处连接这些棒，其中连接器包括基本上矩形的棒，矩形的棒在横截面方面是在整个棒长度上基本均匀设置的。实现连接的棒由多个线束组成，这些线束在垂直于槽的轴线的平面中沿棒的宽度方向将棒分开，其中这些线束相对彼此互相嵌入，以便在包括这些线束的连接杆的宽度上占据不同位置，而这些线束确保连接杆的均匀的横截面面积。
公开文献US 2009/096313 A1描述了一种定子，该定子具有：定子芯，该定子芯在平行于旋转电机的旋转轴的方向上具有多个槽；和线圈板主体，该线圈板主体通过层压多个I型的线圈板形成，这些线圈板中的每一个都具有绝缘膜，绝缘膜至少在一侧沿直径方向附着。在线圈板主体中，多个线圈板插入到置入槽中的树脂绝缘体中，以使绝缘膜布置在线圈板之间，并且使线圈板被树脂绝缘体整体地保持。
公开文献WO 2015/130331 A1描述了一种装置，例如一种线圈，其中每种电导体材料都被磁性金属/材料包围，以便加强整体产生的磁场并且将其指向期望的方向，该磁场在闭合回路中通过铁芯传导。
公开文献WO 2017/050447 A1描述了一种旋转电机，该旋转电机具有转子，该转子能利用转子管和轴头围绕旋转轴线旋转，其中该轴头布置在旋转电机的非驱动侧，并且其中转子管在转子管的轴向端部处与轴头机械连接。为了节省空间和成本而提出：轴头具有设置用于将冷却介质输送到转子管中的中心孔和/或平行孔，其中转子管具有至少一个冷却开口，并且其中该中心孔和/或平行孔与至少一个冷却开口以流体连接。
公开文献WO 2013/185839 A1描述了一种用于制造具有至少一个第一组件和第二组件的光电子半导体部件的方法，其中将烧结材料施加到第一组件上，将第二组件放在烧结材料上，并且使烧结材料在热、压力和超声波的作用下在烧结期间烧结形成在第一组件与第二组件之间的连接层。
发明内容
本发明的基本目的是提供一种用于旋转电机的定子，该定子与现有技术相比以小的轴向长度获得改善的电气和机械特性。
根据本发明，该目的通过一种用于旋转电机的定子来实现，该定子具有带有线圈的定子叠片组，其中，线圈各自具有至少一个凹槽部段、至少一个绕组头部段和至少一个连接部段，其中，绕组头部段被设计为定子绕组头板，该定子绕组头板布置在定子叠片组的端面处并且具有集成在绝缘基体中的印制导线，其中，凹槽部段的导体与绕组头部段的印制导线在连接部段中分别连接，其中，凹槽部段的导体各自具有第一数量的互相电绝缘的子导体，并且绕组头部段的印制导线各自具有第二数量的互相电绝缘的子印制导线，并且其中，凹槽部段的互相电绝缘的子导体与绕组头部段的互相电绝缘的子印制导线在连接部段中导电地连接。
根据本发明的目的还通过一种具有至少一个这种定子的旋转电机来实现。
根据本发明的目的还通过一种具有至少一个这种旋转电机的吊舱驱动器来实现。
根据本发明，该目的还通过一种具有至少一个这种吊舱驱动器的水上交通工具、特别是船舶来实现。
根据本发明，该目的还通过一种制造这种定子的方法来实现，其中，将至少一个定子绕组头板放置在定子叠片组的端面上，并且其中，随后将凹槽部段的导体与绕组头部段的印制导线尤其以材料配合的方式连接。
下面关于定子列出的优点和优选设计方案能够类似地转用于旋转电机、吊舱驱动器、水上交通工具和制造方法。
本发明基于如下认识，即通过重新设计绕组头来减小具有至少一兆瓦功率的旋转电机的定子的轴向长度，该绕组头通常需要大的轴向安装空间。尽管凹槽部段中的绕组继续以其传统方式被设计为线圈杆，但绕组头被设计为绕组头板，这些绕组头板尤其位于定子叠片组的端面上，在绕组头板中布置有将相应的线圈杆互相连接的印制导线。印制导线集成在绝缘基体中，其中该绝缘基体产生印制导线与定子叠片组的导热连接。此外，印制导线被绝缘基体包封并且因此被保护免受诸如湿气的环境影响。绝缘基体包含陶瓷材料、例如氧化铝或亚硝酸铝，其具有大的热导率，尤其具有大于5W/mK的热导率。可选地，绝缘基体包含合成材料，该合成材料具有至少一种陶瓷材料的成分。尤其在使用合成材料时，还需要例如通过冷却通道冷却印制导线。为了优化电特性、特别是损耗，并且为了简化冷却，使凹槽部段的第一数量的子导体互相电绝缘。附加地或可选地，定子绕组头板的印制导线具有第二数量的互相电绝缘的子印制导线，子印制导线在绕组头板中互相绝缘地延伸。在凹槽部段中设计为线圈棒的导体与定子绕组头板的印制导线在连接部段中导电地连接。为了最小化连接点的数量，在连接部段中导电地连接凹槽部段的互相电绝缘的子导体和/或定子绕组头板的互相电绝缘的子印制导线。通过子导体和/或子印制导线的这种短路，显著减少了连接点的数量，并且能选择连接点之间的较大的距离，这简化了连接部段中的各个线匝的互相绝缘。
在一个优选的设计方案中，在凹槽部段中的互相电绝缘的子导体被扭转，尤其以罗贝尔棒(Roebelstab)的形式被扭转。因此各个子导体整体上在定子叠片组的轴向长度上面对相同的磁边界条件，以最小化电损耗。
在另一个有利的实施方式中，凹槽部段的导体与绕组头部段的相应的印制导线在连接部段中以材料配合的方式连接。材料配合的连接例如通过冷喷工艺用金属、特别是铜填充连接间隙来形成。可替代地，该材料配合的连接通过烧结、钎焊和/或融焊来形成。这种材料配合的连接是持久的、可靠的并且具有小的电阻和热阻。
特别有利的是，在使用纳米颗粒、特别是银纳米颗粒的情况下建立该材料配合的连接。这种纳米颗粒的熔化温度比相应金属的低数百开尔文。例如能够在大约230℃的情况下由银纳米颗粒产生均匀和有粘性的银焊料，其中，固化后所得的银的熔化温度为961℃。这种使用纳米颗粒的材料配合的连接是不可逆的，也就是说，当产生另一个这种连接时，先前的连接也不会熔化。
在另一个有利的设计方案中，在凹槽部段的导体与绕组头部段的相应的印制导线之间，在连接部段中布置有金属连接元件。金属连接元件尤其构造为用于跨过主绝缘体厚度的中间板。
特别有利地，金属连接元件被构造为楔形的。楔形的设计、特别是作为楔形的单独部件实现了预应力施加并且适合于补偿公差。
在另一个有利的设计方案中，线圈具有至少两个线匝，相应的线匝的导体尤其在凹槽部段中通过蜿蜒式布置的导体绝缘体互相电绝缘。蜿蜒形式的导体绝缘体是一件式的并且因此能被快速和便宜地安装。此外实现了印制导线的互相连接，由此在没有其他绝缘措施的情况下实现了用于印制导线的连接点之间的电绝缘的足够距离。
特别有利地，在定子绕组头板中设有冷却通道。为了在运行期间进行冷却，排导印制导线中产生的热量的冷却流体流过冷却通道。尤其在使用导热率低的绝缘基体时，需要由冷却通道冷却定子绕组头板的印制导线。
在一个优选的设计方案中，子印制导线尤其等距地围绕冷却通道布置。通过这种布置，子印制导线被冷却介质基本上均匀地冷却，从而使定子绕组头板中的电损耗最小化。
在另一个有利的设计方案中，定子绕组头板至少部分地利用增材制造法制造。增材制造法例如包括3D(三维)打印和丝网印刷。例如利用3D打印方法或丝网印刷方法制造绝缘基体，并且随后例如使用压铸方法来铸造印制导线。可选地，使用3D打印方法或丝网印刷方法来生产印制导线。然后，例如使用烧结方法来接合绝缘基体。增材制造法实现了复杂并且紧凑的结构，这导致定子绕组头板的尺寸减小，尤其导致轴向尺寸减小。
附图说明
下面根据在附图中示出的实施例来详细描述和阐述本发明。
附图示出：
图1示出了旋转电机的纵向截面，
图2示出了在定子绕组头板的区域中的、定子的第一实施例的放大的纵向截面，
图3示出了在定子绕组头板的区域中的、定子的第二实施例的放大的横截面，
图4示出了定子绕组头板的放大的截面，以及
图5示出了具有吊舱驱动器的船舶。
在不同的附图中，相同的附图标记具有相同的含义。
具体实施方式
图1示出了旋转电机2的纵向截面，该旋转电机具有可绕旋转轴线6旋转的转子4和包围转子4的定子8。在转子4与定子8之间存在间隙10，该间隙优选设计为气隙。旋转轴线6限定轴向方向、径向方向和周向方向。旋转电机2被示例性地构造为同步电机并且具有永磁体12，永磁体至少部分地集成在至少一个转子叠片组14中。至少一个转子叠片组14与轴16抗扭地连接，该轴例如构造为空心轴并且由布置在两侧的轴承18支承。
定子8具有带有线圈22的定子叠片组20，其中，线圈22在轴向方向上穿过定子叠片组20中的凹槽24延伸。为了清楚展示，未示出线圈22的例如与接线盒的接头。例如由铜制造的线圈22具有凹槽部段26和绕组头部段28，其中，在凹槽部段26与绕组头部段28之间布置有连接部段30。线圈22的绕组头部段28布置在定子绕组头板32中，该定子绕组头板放置在定子叠片组的端面上。
图2示出了在定子绕组头板32的区域中的、定子8的第一实施例的放大的纵向截面。穿过定子叠片组20中的凹槽24延伸的线圈22具有例如两个线匝，线匝各自具有被设计为线圈棒的导体34。凹槽部段26中的导体34各自具有第一数量的互相电绝缘的子导体40，其尤其以罗贝尔棒的形式被扭转。子导体40的第一数量n1对于每个导体34至少是2。在连接部段中，互相电绝缘的子导体40被导电连接42短路。导电连接42尤其构造为材料配合的连接。材料配合的连接例如通过冷喷工艺用金属、特别是铜填充连接间隙来形成。可替代地，该材料配合的连接通过尤其在从200℃到300℃的温度范围内的无压力烧结过程形成。
在这种无压力烧结过程中，子导体40借助于连接材料接合，该连接材料在加热纳米颗粒、特别是银纳米颗粒时形成，其中，在提供更多能量时会形成熔融相，在随后发生固化时，熔融相会在子导体40之间形成不可逆的接合连接。这种接合连接被描述为不可逆的，因为接合连接的熔点明显高于熔融相的熔点。特别地，硬化的接合材料的熔点在用于纳米颗粒的金属的熔点的范围内，例如对于银在900℃至1000℃的范围内。当产生另外的这种接合连接时，先前的接合连接也不会熔化。
可替代地，材料配合的连接通过钎焊或融焊形成。定子绕组头板32的印制导线36也通过材料配合的连接与凹槽部段26的导体34在连接部段30中连接。印制导线36集成在绝缘基体38中，其中，绝缘基体38生成印制导线36与定子叠片组20的导热连接。此外，印制导线36被绝缘基体38包封。绝缘基体38包含具有高导热率、特别是大于5W/mK的导热率的陶瓷材料，例如包含氧化铝或亚硝酸铝。可选地，绝缘基体38包含合成材料，该合成材料具有至少一种陶瓷材料的成分。尤其在使用合成材料时，还需要例如通过冷却通道冷却印制导线36。
定子绕组头板32的厚度d在厘米范围内，尤其在3厘米和10厘米之间，定子绕组头板由增材制造法完全或至少部分地制成。例如，使用3D打印方法或丝网印刷方法来制造绝缘基体38，并且随后例如使用压铸方法来铸造印制导线36。可替代地，使用3D打印方法或丝网印刷方法来生产印制导线36。随后，例如通过烧结方法来接合绝缘基体38。制造定子绕组头板32的另一种可行方案是，印制导线36和绝缘基体38优选地同时利用3D打印方法或丝网印刷方法制造。图2中的定子8的其他设计对应于图1中的设计。
图3示出了在定子绕组头板32的区域中的、定子8的第二实施例的放大的横截面。穿过凹槽24延伸的线圈22具有例如五个线匝，线匝各自具有导体34，其中，线匝通过蜿蜒式布置的导体绝缘体44互相电绝缘。在导体34与定子绕组头板32的相应的印制导线36之间布置有金属连接元件46，金属连接元件在导体34与相应的印制导线36之间的连接部段30中产生导电连接。此外，主绝缘体48的厚度d由金属连接元件46桥接。金属连接元件46被设计为单独部件。为了施加预应力和/或补偿公差，金属连接元件46被构造为特别是楔形的单独部件。印制导线36的互相连接确保了印制导线36的连接点之间的、特别是足够的电距离a。在定子绕组头板32内的绕组头部段28中，将线匝的印制导线36分别分成第二数量n2的子印制导线50，以便通过增加与绝缘基体38的接触面积来获得更好的机械特性和子印制导线50的改善的冷却。子印制导线50的第二数量n2对于每个印制导线36至少是2。图3中的定子8的其他设计对应于图2中的设计。
图4示出了定子绕组头板32的放大的截面，其中布置有冷却通道52。
冷却介质流过冷却通道52。在冷却通道52周围等距地布置有例如具有环形段形状的横截面的子印制导线50，以使子印制导线50被冷却介质基本上均匀地冷却。图4中的定子绕组头板32的其他设计对应于图3中的设计。
图5示出了具有吊舱驱动器56的水上交通工具54。吊舱驱动器56位于水面下方并且具有旋转电机2和螺旋桨60，其中，螺旋桨60通过轴16与旋转电机2连接。由于使用了为清楚展示在图5中未示出的定子绕组头板32，所以吊舱驱动器56具有小的轴向长度。
总之，本发明涉及一种用于旋转电机2的定子8，旋转电机尤其用在吊舱驱动器56中，该定子具有带有线圈22的定子叠片组20。为了与现有技术相比以小的轴向长度实现改善的电气和机械特性而提出：线圈22各自具有至少一个凹槽部段26、至少一个绕组头部28和至少一个连接部30，其中绕组头部段28被设计为定子绕组头板32，定子绕组头板布置在定子叠片组20的端面上并且具有集成在绝缘基体38中的印制导线36，其中凹槽部段26的导体34与绕组头部段28的印制导线36在连接部段30中分别连接，其中凹槽部段26的导体34各自具有第一数量n1的互相电绝缘的子导体40，并且/或者绕组头部段28的印制导线36各自具有第二数量n2的互相电绝缘的子印制导线50，并且其中凹槽部段26的互相电绝缘的子导体40和/或绕组头部段28的互相电绝缘的子印制导线50在连接部段30中导电地连接。
Claims (18)
1.一种用于旋转电机(2)的定子(8)，所述定子具有带有线圈(22)的定子叠片组(20)，其中，所述线圈(22)各自具有至少一个凹槽部段(26)、至少一个绕组头部段(28)和至少一个连接部段(30)，其中，所述绕组头部段(28)被设计为定子绕组头板(32)，
所述定子绕组头板布置在所述定子叠片组(20)的端面处并且具有集成在绝缘基体(38)中的印制导线(36)，
其中，所述凹槽部段(26)的导体(34)与所述绕组头部段(28)的印制导线(36)在连接部段(30)中分别连接，其中，
-所述凹槽部段(26)的所述导体(34)各自具有第一数量(n1)的互相电绝缘的子导体(40)，并且
-所述绕组头部段(28)的所述印制导线(36)各自具有第二数量(n2)的互相电绝缘的子印制导线(50)，并且
其中，所述凹槽部段(26)的互相电绝缘的所述子导体(40)与所述绕组头部段(28)的互相电绝缘的所述子印制导线(50)在所述连接部段(30)中导电地连接。
2.根据权利要求1所述的定子(8)，其中，所述旋转电机用在吊舱驱动器(56)中。
3.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述子导体(40)的所述第一数量(n1)与所述子印制导线(50)的所述第二数量(n2)不同。
4.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，在所述凹槽部段(26)中的互相电绝缘的所述子导体(40)以罗贝尔棒的形式被扭转。
5.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述凹槽部段(26)的所述导体(34)与所述绕组头部段(28)的相应的所述印制导线(36)在所述连接部段(30)中以材料配合的方式连接。
6.根据权利要求5所述的定子(8)，其中，材料配合的连接在使用纳米颗粒的情况下被建立。
7.根据权利要求6所述的定子(8)，其中，所述纳米颗粒是银纳米颗粒。
8.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，在所述凹槽部段(26)的所述导体(34)与所述绕组头部段(28)的相应的所述印制导线(36)之间，在所述连接部段(30)中布置有金属连接元件(46)。
9.根据权利要求8所述的定子(8)，其特征在于，所述金属连接元件(46)被构造为楔形的。
10.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，线圈(22)具有至少两个线匝，其中，相应的所述线匝的所述导体(34)在所述凹槽部段(26)中通过蜿蜒式布置的导体绝缘体(44)互相电绝缘。
11.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，在所述定子绕组头板(32)中布置有冷却通道(52)。
12.根据权利要求11所述的定子(8)，其中，所述子印制导线(50)等距地围绕所述冷却通道(52)布置。
13.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述定子绕组头板(32)至少部分地利用增材制造法制造。
14.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的定子(8)。
15.一种吊舱驱动器(56)，具有至少一个根据权利要求14所述的旋转电机(2)。
16.一种水上交通工具(54)，具有至少一个根据权利要求15所述的吊舱驱动器(56)。
17.根据权利要求16所述的水上交通工具，其中，所述水上交通工具是船舶。
18.一种制造用于旋转电机(2)的、根据权利要求1至13中任一项所述的定子(8)的方法，
其中，将至少一个所述定子绕组头板(32)放置在所述定子叠片组(20)的端面上，并且
其中，随后将所述凹槽部段(26)的所述导体(34)与所述绕组头部段(28)的所述印制导线(36)连接。
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